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切削液的使用必須符合環(huán)保要求，為此人們進行了大量的探索與研究，如開發(fā)新型切削液、加強切削液管理、采用切削廢液處理技術以及改進冷卻方法等，試圖減小使用切削液所帶來的不利影響，但都未能取得很滿意的效果。而要從根本上消除傳統(tǒng)切削液帶來的不利因素，干切削(Dry Cutting)是一種可行的方法。本文結(jié)合當前國內(nèi)外在干切削加工技術方面的經(jīng)驗，分析了影響干切削加工的因素，在此基礎上探討了實現(xiàn)干切削加工的一些措施，zui后簡要介紹了國內(nèi)外對干切削加工的研究與應用情況。
1 影響干切削加工的因素
干切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法。它從源頭上消除了切削液帶來的一系列環(huán)境負面效應，主要具有如下特點：(1)形成的切屑潔凈、無污染、易于回收和處理；(2)省去了與切削液有關的供應、回收、過濾等有關裝置的購買及保養(yǎng)費用，以及與切屑、切削液處理有關的費用，既簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，又節(jié)約了生產(chǎn)成本；(3)不污染環(huán)境，工廠無需承擔切削廢液污染責任，也不會發(fā)生與切削液有關的安全及質(zhì)量事故。
然而在加工中若不使用切削液，會使切削狀態(tài)進一步惡化，即切削溫度升高，刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦會進一步加劇，排屑不暢，刀具壽命降低，并使加工表面質(zhì)量變差。因此，要使干切削加工能順利進行，就必須尋求技術上的解決方案，使其能彌補切削液的主要功能。這就要求仔細分析各種特定的邊界條件和影響干切削加工的復雜因素。
2 實現(xiàn)干切削加工的措施
研制適合干切削加工的刀具材料
開發(fā)適合干切削加工的刀具材料是其成功應用的關鍵之一。在干切削加工時，一般采用比普通加工要高的切削速度，這樣可以加速排屑及散熱，從而提高刀具壽命、增加刀具的抗熱性能。但在高速切削時，切削區(qū)會產(chǎn)生大量的熱量，切削用量越大，切削區(qū)的溫度也越高，傳統(tǒng)方法一般都要加冷卻液冷卻，然而采用新型刀具材料以及選擇合理的切削參數(shù)，既可承受切削過程中的高溫，進行高速切削，又可使產(chǎn)生的大部分熱量傳給切屑，即可進行干切削加工。
干切削刀具材料要具有優(yōu)良的熱性能，常用的有紅硬性較高和耐磨性較好的粘結(jié)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、涂層HSS、金剛石及立方氮化硼(CBN)等。近年來，還在Al2O3基體中添加20%～30%的SiC晶須，形成了“晶須增韌陶瓷”。SiC晶須的作用猶如鋼筋混泥土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的干切削刀具材料。
開發(fā)刀具涂層技術
適宜的刀具涂層不僅可以增強刀具的抗熱性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦系數(shù)，減少刀具磨損，而且能降低切削力和切削溫度，提高刀具壽命，并能改善加工表面質(zhì)量。因此，開發(fā)刀具涂層技術也是實現(xiàn)干切削加工的關鍵之一。
目前，干切削刀具涂層技術的主要發(fā)展趨勢：一是采用“軟”涂層，如德國Guhring公司開發(fā)的“MOVIC”軟涂層工藝，就是在刀具表面涂覆一層固體潤滑劑-MoS2，這種涂層刀具表面有潤滑功能，在加工時可減少切屑與刀具之間的摩擦，避免產(chǎn)生積屑瘤，提高刀具壽命。試驗表明，在含9%Si的鋁合金上進行干攻絲加工，未涂層絲錐只能加工20個孔，TiAlN涂層絲錐可加工1000個孔，而MOVIC涂層絲錐可加工4000個孔。二是采用軟/硬組合涂層，即先在刀具上涂上 “硬”涂層(如TiN)，再在其上涂“軟”涂層(如MoS2)。如采用一種(Ti，Al)N+MoS2涂層的鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動機缸體上的深孔，刀具壽命高達1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。
優(yōu)化刀具幾何形狀
在干切削加工中，刀具幾何形狀的優(yōu)化非常重要。標準刀具不宜采用干式切削，為此干切削加工應選擇優(yōu)化的刀具幾何形狀，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦。刀具幾何形狀優(yōu)化應做到：*、減少刀具/工件表面之間的接觸面積，如鉆頭應減少倒錐和螺旋角；第二、考慮刀具表面的zui大潤滑性，防止積屑瘤的產(chǎn)生。
此外在干切削加工時，細顆粒硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具的切削刃口可作輕微的小鈍化，以其自身基體的強度來保持刃口的鋒利，達到降低切削溫度的目的。這不但可保持刀具的高性能，而且還可保持刀具的*使用壽命。
采用MQL技術
在無法*實現(xiàn)干切削的情形下，可采用“切削液zui少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技術來盡量減少切削液的使用量，MQL也稱為準干切削(Near Dry Cutting)。這里的“切削液zui少量”是指供給切削過程很少量的切削液(當機床工作在*條件下時，切削液消耗量應在50mL/h以下，而采用正常射流冷卻時的切削液消耗量可能超過6L/min)。
MQL技術主要有氣霧外部潤滑和內(nèi)部冷卻兩種方式：氣霧外部潤滑方式是將冷卻液送入噴射冷卻系統(tǒng)里面與氣體混合，在高壓下通過一個多頭噴嘴將霧化為毫微米級的氣霧不斷噴射到刀具表面，對刀具進行冷卻和潤滑；氣霧內(nèi)冷卻方式是直接將冷卻氣霧通過主軸和刀具送入切削區(qū)域，對其進行冷卻和潤滑。根據(jù)加工需要，可將內(nèi)、外氣霧兩種冷卻潤滑方式配合使用，效果會更佳。
MQL技術zui大的好處在于，如果使用恰當，刀具、工件和切屑可保持干燥，這就避免了廢物處理的麻煩，所以把這種技術也稱為“干切削”是有道理的。目前，MQL技術主要用于在鑄鐵、鋼和鋁合金上進行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。
采用合理的加工方式
干切削加工由于不使用切削液，熱切屑容易滯留在切削區(qū)內(nèi)，增加工件、刀具及機床的熱度。如果熱量過大還會引起工件硬化以及刀具變形，使工件表面產(chǎn)生裂紋。因此，排屑就成為一個主要問題。但隨著加工技術的發(fā)展，采用合理的加工方式也可解決排屑問題。如將傳統(tǒng)的從上往下進行的鉆削方式，改由從下往上鉆削可利用重力排屑，也無須一定壓力的切削液來輔助排屑。此外，利用抽吸系統(tǒng)可將切削區(qū)內(nèi)的潤滑氣霧、氣體和切屑吸凈；利用噴氣系統(tǒng)也可改善排屑條件。在有些無法*排屑的情況下，也可采用自動、手動相結(jié)合的排屑方法。
除了上述幾種方法之外，還可采用其它一些措施：如選用合理的切削參數(shù)；提高刀具的設計與制造能力，因為復雜的刀具幾何結(jié)構(gòu)可解決封閉空間的排屑問題以及減小切削力；使用具有排屑快速、有效的新式機床，以及研制專門用于干切削加工的機床等。
3 干切削加工技術的應用
干切削曾是一種有爭議的加工方法，但隨著刀具材料、涂層技術、刀具結(jié)構(gòu)與工藝裝備的發(fā)展以及法律和市場的要求，美國、德國和日本等國家已進行了大量的研究并應用于實際生產(chǎn)，取得了明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。
美國LeBLond Makino公司研究開發(fā)的“紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵干切削技術就是利用陶瓷或CBN刀具進行高速加工。由于切削速度和進給量很高，產(chǎn)生的熱量很快聚集在刀具前端，使該處的工件材料達到紅熱狀態(tài)，其屈服強度下降，可大大提高切削效率。通常鑄鐵的金屬切除率(車削)為16cm3/min，而采用紅月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。該公司還發(fā)明了一種工藝，可用硬質(zhì)合金刀具在切削速度達305m/min時對淬火鋼(>50HRC)及鈦合金進行干車削加工，切削熱由通過主軸的高壓冷卻氣體帶走，切削溫度可降至zui低，每轉(zhuǎn)中刀具與工件接觸可限制在25%以內(nèi)。
日本Syun-ichi Yamagata研究開發(fā)了鋼材的干式擠壓絲錐，與普通的濕式擠壓絲錐相比，可顯著提高絲錐壽命。如用普通擠壓絲錐加工冷卻軋鋼板上M4×0.7的通孔螺紋，加工約7,000個孔時，絲錐切削部分便產(chǎn)生磨損與粘結(jié)，使切削無法繼續(xù)進行；而采用干式擠壓絲錐加工50,000個以上的孔也不會產(chǎn)生粘結(jié)和顯著的磨損，絲錐還可繼續(xù)使用。使用結(jié)果表明：干式擠壓絲錐與普通擠壓絲錐相比，刀具壽命可提高幾倍或十倍。
德國Guhring公司對發(fā)動機中的鋁制零件進行了高速干鉆削加工研究，取得了顯著的經(jīng)濟效益，并樹立了良好的企業(yè)環(huán)保形象。此外，德國、芬蘭、英國等對高速齒輪干滾削、干式鏜削等加工方式也進行了研究，并在生產(chǎn)中得到了應用，取得了良好的效果。
目前我國的干切削主要是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工，而對其它切削加工的干式加工方法的研究和應用還很小。
1 影響干切削加工的因素
干切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法。它從源頭上消除了切削液帶來的一系列環(huán)境負面效應，主要具有如下特點：(1)形成的切屑潔凈、無污染、易于回收和處理；(2)省去了與切削液有關的供應、回收、過濾等有關裝置的購買及保養(yǎng)費用，以及與切屑、切削液處理有關的費用，既簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，又節(jié)約了生產(chǎn)成本；(3)不污染環(huán)境，工廠無需承擔切削廢液污染責任，也不會發(fā)生與切削液有關的安全及質(zhì)量事故。
然而在加工中若不使用切削液，會使切削狀態(tài)進一步惡化，即切削溫度升高，刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦會進一步加劇，排屑不暢，刀具壽命降低，并使加工表面質(zhì)量變差。因此，要使干切削加工能順利進行，就必須尋求技術上的解決方案，使其能彌補切削液的主要功能。這就要求仔細分析各種特定的邊界條件和影響干切削加工的復雜因素。
2 實現(xiàn)干切削加工的措施
研制適合干切削加工的刀具材料
開發(fā)適合干切削加工的刀具材料是其成功應用的關鍵之一。在干切削加工時，一般采用比普通加工要高的切削速度，這樣可以加速排屑及散熱，從而提高刀具壽命、增加刀具的抗熱性能。但在高速切削時，切削區(qū)會產(chǎn)生大量的熱量，切削用量越大，切削區(qū)的溫度也越高，傳統(tǒng)方法一般都要加冷卻液冷卻，然而采用新型刀具材料以及選擇合理的切削參數(shù)，既可承受切削過程中的高溫，進行高速切削，又可使產(chǎn)生的大部分熱量傳給切屑，即可進行干切削加工。
干切削刀具材料要具有優(yōu)良的熱性能，常用的有紅硬性較高和耐磨性較好的粘結(jié)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、涂層HSS、金剛石及立方氮化硼(CBN)等。近年來，還在Al2O3基體中添加20%～30%的SiC晶須，形成了“晶須增韌陶瓷”。SiC晶須的作用猶如鋼筋混泥土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的干切削刀具材料。
開發(fā)刀具涂層技術
適宜的刀具涂層不僅可以增強刀具的抗熱性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦系數(shù)，減少刀具磨損，而且能降低切削力和切削溫度，提高刀具壽命，并能改善加工表面質(zhì)量。因此，開發(fā)刀具涂層技術也是實現(xiàn)干切削加工的關鍵之一。
目前，干切削刀具涂層技術的主要發(fā)展趨勢：一是采用“軟”涂層，如德國Guhring公司開發(fā)的“MOVIC”軟涂層工藝，就是在刀具表面涂覆一層固體潤滑劑-MoS2，這種涂層刀具表面有潤滑功能，在加工時可減少切屑與刀具之間的摩擦，避免產(chǎn)生積屑瘤，提高刀具壽命。試驗表明，在含9%Si的鋁合金上進行干攻絲加工，未涂層絲錐只能加工20個孔，TiAlN涂層絲錐可加工1000個孔，而MOVIC涂層絲錐可加工4000個孔。二是采用軟/硬組合涂層，即先在刀具上涂上 “硬”涂層(如TiN)，再在其上涂“軟”涂層(如MoS2)。如采用一種(Ti，Al)N+MoS2涂層的鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動機缸體上的深孔，刀具壽命高達1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。
優(yōu)化刀具幾何形狀
在干切削加工中，刀具幾何形狀的優(yōu)化非常重要。標準刀具不宜采用干式切削，為此干切削加工應選擇優(yōu)化的刀具幾何形狀，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦。刀具幾何形狀優(yōu)化應做到：*、減少刀具/工件表面之間的接觸面積，如鉆頭應減少倒錐和螺旋角；第二、考慮刀具表面的zui大潤滑性，防止積屑瘤的產(chǎn)生。
此外在干切削加工時，細顆粒硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具的切削刃口可作輕微的小鈍化，以其自身基體的強度來保持刃口的鋒利，達到降低切削溫度的目的。這不但可保持刀具的高性能，而且還可保持刀具的*使用壽命。
采用MQL技術
在無法*實現(xiàn)干切削的情形下，可采用“切削液zui少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技術來盡量減少切削液的使用量，MQL也稱為準干切削(Near Dry Cutting)。這里的“切削液zui少量”是指供給切削過程很少量的切削液(當機床工作在*條件下時，切削液消耗量應在50mL/h以下，而采用正常射流冷卻時的切削液消耗量可能超過6L/min)。
MQL技術主要有氣霧外部潤滑和內(nèi)部冷卻兩種方式：氣霧外部潤滑方式是將冷卻液送入噴射冷卻系統(tǒng)里面與氣體混合，在高壓下通過一個多頭噴嘴將霧化為毫微米級的氣霧不斷噴射到刀具表面，對刀具進行冷卻和潤滑；氣霧內(nèi)冷卻方式是直接將冷卻氣霧通過主軸和刀具送入切削區(qū)域，對其進行冷卻和潤滑。根據(jù)加工需要，可將內(nèi)、外氣霧兩種冷卻潤滑方式配合使用，效果會更佳。
MQL技術zui大的好處在于，如果使用恰當，刀具、工件和切屑可保持干燥，這就避免了廢物處理的麻煩，所以把這種技術也稱為“干切削”是有道理的。目前，MQL技術主要用于在鑄鐵、鋼和鋁合金上進行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。
采用合理的加工方式
干切削加工由于不使用切削液，熱切屑容易滯留在切削區(qū)內(nèi)，增加工件、刀具及機床的熱度。如果熱量過大還會引起工件硬化以及刀具變形，使工件表面產(chǎn)生裂紋。因此，排屑就成為一個主要問題。但隨著加工技術的發(fā)展，采用合理的加工方式也可解決排屑問題。如將傳統(tǒng)的從上往下進行的鉆削方式，改由從下往上鉆削可利用重力排屑，也無須一定壓力的切削液來輔助排屑。此外，利用抽吸系統(tǒng)可將切削區(qū)內(nèi)的潤滑氣霧、氣體和切屑吸凈；利用噴氣系統(tǒng)也可改善排屑條件。在有些無法*排屑的情況下，也可采用自動、手動相結(jié)合的排屑方法。
除了上述幾種方法之外，還可采用其它一些措施：如選用合理的切削參數(shù)；提高刀具的設計與制造能力，因為復雜的刀具幾何結(jié)構(gòu)可解決封閉空間的排屑問題以及減小切削力；使用具有排屑快速、有效的新式機床，以及研制專門用于干切削加工的機床等。
3 干切削加工技術的應用
干切削曾是一種有爭議的加工方法，但隨著刀具材料、涂層技術、刀具結(jié)構(gòu)與工藝裝備的發(fā)展以及法律和市場的要求，美國、德國和日本等國家已進行了大量的研究并應用于實際生產(chǎn)，取得了明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。
美國LeBLond Makino公司研究開發(fā)的“紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵干切削技術就是利用陶瓷或CBN刀具進行高速加工。由于切削速度和進給量很高，產(chǎn)生的熱量很快聚集在刀具前端，使該處的工件材料達到紅熱狀態(tài)，其屈服強度下降，可大大提高切削效率。通常鑄鐵的金屬切除率(車削)為16cm3/min，而采用紅月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。該公司還發(fā)明了一種工藝，可用硬質(zhì)合金刀具在切削速度達305m/min時對淬火鋼(>50HRC)及鈦合金進行干車削加工，切削熱由通過主軸的高壓冷卻氣體帶走，切削溫度可降至zui低，每轉(zhuǎn)中刀具與工件接觸可限制在25%以內(nèi)。
日本Syun-ichi Yamagata研究開發(fā)了鋼材的干式擠壓絲錐，與普通的濕式擠壓絲錐相比，可顯著提高絲錐壽命。如用普通擠壓絲錐加工冷卻軋鋼板上M4×0.7的通孔螺紋，加工約7,000個孔時，絲錐切削部分便產(chǎn)生磨損與粘結(jié)，使切削無法繼續(xù)進行；而采用干式擠壓絲錐加工50,000個以上的孔也不會產(chǎn)生粘結(jié)和顯著的磨損，絲錐還可繼續(xù)使用。使用結(jié)果表明：干式擠壓絲錐與普通擠壓絲錐相比，刀具壽命可提高幾倍或十倍。
德國Guhring公司對發(fā)動機中的鋁制零件進行了高速干鉆削加工研究，取得了顯著的經(jīng)濟效益，并樹立了良好的企業(yè)環(huán)保形象。此外，德國、芬蘭、英國等對高速齒輪干滾削、干式鏜削等加工方式也進行了研究，并在生產(chǎn)中得到了應用，取得了良好的效果。
目前我國的干切削主要是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工，而對其它切削加工的干式加工方法的研究和應用還很小。
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展會城市：鄭州市展會時間：2025-05-09